La cavitazione è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all’interno di un fluido che poi implodono. La cavitazione è un problema che non riguarda solamente i riduttori di pressione ma anche pompe, eliche e turbine. Uno dei guasti meccanici più comuni in una pompa centrifuga è proprio la cavitazione.
Cos'è la Cavitazione?
Merriam-Webster definisce cavitazione come "la formazione di vuoto parziale in un liquido con la movimentazione rapida di corpi solidi (come una girante) o le onde sonore ad alta densità. Anche l'erosione e l'usura di superfici solide (come metallo o cemento) in seguito all'esaurimento di questi vuoti nel liquido circostante".
Questo fenomeno ha origine nella nucleazione, ovvero l’origine di piccolissimi spazi che possono costituire nuclei per la crescita di bolle macroscopiche che collasseranno poco dopo. La fase di collasso e implosione libera una quantità di energia che può provocare danni importanti al sistema.
Cause della Cavitazione
Le cause della cavitazione in una pompa possono essere molteplici e di diversa natura. La causa principale del fenomeno della cavitazione è da ricercarsi in un valore troppo elevato del rapporto di riduzione. Le cause della cavitazione in una pompa possono essere molteplici e di diversa natura. Dall’uso improprio degli operatori, alla qualità dei prodotti delle pompe centrifughe e così via.
- Cavitazione di aspirazione: Si verifica quando i componenti aspirano liquido a bassa pressione, causando la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa. Essa superano la girante e all’uscita trovano una pressione elevata che provoca la loro esplosione.
- Cavitazione di scarico: Si verifica quando la pressione di uscita è estremamente elevata. Questo determina il ricircolo del liquido che, passando ad alta velocità tra girante e statore, induce la formazione di vuoto e di sacche di vapore.
Esistono delle grandezze che permettono di calcolare la tendenza di una pompa a cavitare, in particolare il NPSH (Net Positive Suction Head). Senza entrare nello specifico, per non avere cavitazione è necessario che il NPSH(a), che è strettamente legato al circuito, sia maggiore del NPSH(r), che è invece specifico della pompa.
Cavitazione dell'Elica
La cavitazione dell’elica è un fenomeno che si verifica quando l’elica ruota ad alta velocità e la pressione dell’acqua intorno alle pale scende al di sotto della sua tensione di vapore. Questo improvviso calo di pressione provoca la formazione di bolle di vapore, simili a quelle che vedi quando l’acqua bolle. Tuttavia, a differenza di una pentola sul fuoco, queste bolle collassano violentemente non appena entrano in una zona di pressione più elevata.
Le cause principali della cavitazione dell'elica includono:
- Elica troppo poco immersa
- Elica danneggiata o usurata
- Virate strette e brusche accelerazioni
Effetti della Cavitazione
La cavitazione nelle pompe centrifughe è solitamente causata da insufficiente energia della testa di aspirazione netta positiva (NPSH, Net Positive Suction Head) sul lato di aspirazione della pompa. Quando si riscontra un problema di cavitazione, il più delle volte, la prima avvisaglia risulta un rumore durante il pompaggio che assomiglia a quello di ingranaggi inceppati dove non ce ne sono, vibrazioni, prestazioni ridotte o la combinazione di tutte e tre.
Gli effetti principali della cavitazione includono:
- Danneggiamento dei componenti: Lo scoppio delle bolle innesca delle oscillazioni di pressione cariche di energia d’urto che, in unione con le velocità in gioco, può portare alla compromissione dei componenti interni dei riduttori di pressione.
- Peggioramento della performance della pompa, dovuta alle turbolenze provocate dalla cavitazione.
- Rovina delle componenti interne alla pompa, dovuta al collasso della bolla vicino alla parete di una componente. In questo caso si genera un microgetto liquido (impinging jet) che erode la superficie solida e forma quelli che vengono chiamati “pits erosivi”.
- Eccessive vibrazioni possono provocare anche il guasto delle guarnizioni o dei cuscinetti meccanici, l'energia che viene rilasciata quando le bolle di vapore scoppiano può provocare la rottura di pezzi di metallo e la collisione con altre parti in movimento.
Il danno tipico si verifica con la girante, che può erodere, incrinarsi o scheggiarsi. Nel caso della cavitazione dell'elica, le onde d’urto generate dal collasso delle bolle di vapore possono erodere le pale dell’elica, creando piccole cavità (pitting) e riducendo l’efficienza.
Rimedi e Prevenzione
Per evitare la cavitazione, la pressione del liquido in tutti i punti deve essere al di sotto della pressione di saturazione. È immediato notare che il primo metodo per contrastare il fenomeno della cavitazione consiste nella corretta scelta dei riduttori di pressione da utilizzare nell’applicazione richiesta.
Ecco alcuni rimedi e misure preventive:
- Riduttori di pressione a due stadi: Per ovviare al problema delle pressioni elevate in ingresso è possibile agire con riduttori di pressione a due stadi.
- Ridurre la velocità del motore in modo da produrre un flusso inferiore.
- Controllare nuovamente tutte le specifiche della pompa e confrontarle con i requisiti dell'applicazione.
- Cercare un professionista che assista durante la scelta di una pompa.
- Acquistare l’elica corretta per la tua barca in base al motore e allo scafo e la sua perfetta installazione.
- Manutenzione regolare e attenta. Controlla periodicamente l’elica per individuare eventuali danni, usura o deformazioni e se necessario, fai riparare o sostituire l’elica da un professionista.
Monitoraggio delle Vibrazioni
Dopo la selezione e l’installazione di una pompa idonea è opportuno procedere al monitoraggio delle vibrazioni in condizioni d’esercizio. I dispositivi di analisi delle vibrazioni, come gli analizzatori delle vibrazioni con puntatori a penna o gli strumenti di rilevamento delle condizioni dei cuscinetti, offrono informazioni rapide sullo stato dell’attrezzatura.
Vibrazioni e rumori anomali possono essere associati anche ad un aumento di pressione, che è il risultato di una improvvisa variazione della velocità del fluido. Si tratta del cosiddetto “colpo d’Ariete”, che si verifica quando un flusso di liquido in movimento viene bruscamente fermato (o avviato) o quando è forzato ad un rapido cambio di direzione.
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